一种提升系统吞吐量的D2D协作传输方法技术方案

本发明专利技术属于移动通信领域，尤其涉及移动通信中的D2D通信领域。本发明专利技术针对现有技术的不足，提出了一种宏蜂窝上行链路中，基于叠加编码的D2D协作传输方案，并且设计了一种提升系统吞吐量的D2D协作传输方法，解决了多用户同时使用叠加编码协作传输的问题。在本发明专利技术中，我们可以得到D2D用户和宏蜂窝用户最优传输功率的闭式解，并且我们给出了多用户宏蜂窝系统如何做联合信道资源分配的具体方法。

D2D cooperative transmission method for improving system throughput

The invention belongs to the field of mobile communication, in particular to the field of D2D communication in mobile communication. The shortcomings of existing technology, puts forward a macro cellular uplink, D2D cooperative transmission scheme based on superposition encoding, and designed a D2D cooperative transmission method to improve system throughput, solve the multi users cooperative transmission problem of superposition encoding. In the present invention, we can obtain the closed form solution of the optimal transmission power of the D2D user and the macrocell user, and we give a concrete method for how the multi-user macro cellular system can do joint channel resource allocation.

【技术实现步骤摘要】
一种提升系统吞吐量的D2D协作传输方法
本专利技术属于移动通信领域，尤其涉及移动通信中的D2D通信领域。
技术介绍
随着移动互联网和物联网的发展，未来移动数据流量将呈现爆炸式增长，全球移动通信网络连接的设备总量将达到千亿规模。为此，第五代移动通信(5G)系统应运而生。5G系统的关键性能指标包括：用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度、移动性以及用户峰值速率等。此外，频谱效率、能耗和成本构成了的三大效率指标，是移动通信网络可持续发展的关键因素。对互联网业务的分析研究表明，移动数据业务的本地化特征越来越明显。如今，越来越多的服务和应用都在距离比较近的用户之间展开，使得地理上邻近的用户之间产生的数据流量越来越大。在这种场景下，传统的以基站为中心的通信模式往往缺乏足够的灵活性，难以完全满足不同业务在实时性和可靠性方面的独特需求。终端直通技术(Device-to-Device,D2D)就是在这一背景下产生的。D2D通信是指邻近的终端可以在基站的控制下，通过直连链路进行数据传输，而无需通过中心节点(基站)的转发。这种通信过程的建立、维持和结束是受控于基站的，主要过程包括：用户向基站请求资源、基站进行资源调度并维持直连通信业务、基站最终收回资源等。从数据和信令的角度看，用户与基站之间维持着信令链路，由基站维持用户数据链路、进行无线资源分配以及进行计费、鉴权、识别、移动性管理等传统移动通信网所具备的基本职责。不同之处在于，用户之间数据链路不需要基站中转转发了，而是直接在用户之间建立数据通道。D2D技术本身的短距离通信特点和直接通信方式使其具有如下优势:第一，近距离优势。由于传输距离短，路损较小，因而可获得更高的传输速率、更低的时延和更小的发射功率。第二，复用增益。用户可通过复用方式共享蜂窝用户的资源，从而提高频谱利用率。第三，跳数优势。通信采用终端直连的方式，变两跳为一跳，节省了频率资源。此外，通信还可以拓展网络覆盖，并支持更灵活的网络架构和接入方法。在现有的研究中研究D2D协作传输技术的人还比较少，而且几乎很少有人研究基于叠加编码的D2D协作传输方案，这是因为基于叠加编码的协作传输中，优化表达式中总是有非凸约束条件，因此，通常建模出的优化问题是一个非凸问题。而本专利技术专利提出了一种解决基于叠加编码的最大化系统吞吐量的传输方案，为了便于求解，我们假设D2D用户和宏蜂窝用户所使用的发射功率均为他们的最大发射功率，也就是说D2D用户和宏蜂窝用户的发射功率固定，此时我们通过优化叠加编码的功率分配因子,，以使得系统总的吞吐量最大，同时保证宏蜂窝用户和D2D用户各自的QoS,但是此时的优化问题是一个非凸优化问题，因此，我们采用分段求解的方式，通过把原始优化问题的解空间分为几个区间，在每个区间之内求得各自的解析解，从而得到原始问题的解。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的不足，提出了一种宏蜂窝上行链路中，基于叠加编码的D2D协作传输方案，并且设计了一种基于叠加编码的联合资源分配方案，解决了多用户同时使用叠加编码协作传输的问题。在本专利技术中，我们可以得到D2D用户和宏蜂窝用户最优传输功率的闭式解，并且我们给出了多用户宏蜂窝系统如何做联合信道资源分配的具体方法。为了方便的描述本专利技术的内容，首先对本专利技术所使用的术语和模型进行介绍：定义1基站(BS，BaseStation)：宏蜂窝基站。定义2宏蜂窝用户(CU,CellularUser)：由基站服务的宏蜂窝用户。定义3终端直通用户(D2D，Device-to-Device)：终端不经过基站，他们之间直接进行通信的用户。定义4D2D发射用户(D-Tx，Device-Transmission-Signal)：进行通信的两个D2D用户中，负责发射信号的用户。定义5D2D接收用户(D-Rx，Device-Received-Signal)：进行通信的两个D2D用户中，负责接收信号的用户定义6信噪比(SNR，SignalNoiseRatio)：信号功率与噪声功率的比值。定义7解码转发(DF，decode-and-forward)：中继节点对接收到的信号，解码之后，再转发给其他接收机。定义8半双工(HD，Half-Duplex)：上、下行通信分别采用相同频率信道的不同时隙进行工作。本专利技术所使用的系统为：如图1所示，在该模型中，一对D2D用户和一个宏蜂窝用户共用同一个上行信道资源，D2D用户作为中继，辅助CU用户与基站之间的通信，通信将分为两个时隙进行，示意图如图2所示:第一时隙：CU用户以广播的形式向基站和D2D用户发送自己的信号，D-Tx和D-Rx都只接收CU用户的信号，相互之间不进行通信，然后D-Tx对接收到的CU的信号进行解码。第二时隙：D-Tx把解码得到的CU信号和自己要发送的信号，按照叠加码进行线性叠加，然后以广播的形式同时向基站和D-Rx发送，基站和D-Rx对两个时隙接收到的信号进行最大比合并，最后解码得到想要的信号。假定两个时隙为等时隙划分。在本专利技术中，针对在满足D2D用户和宏蜂窝用户各自的QoS要求的条件下，设计了一种提升系统吞吐量的D2D协作传输方法，具体就是用D2D辅助宏蜂窝用户与基站进行通信，同时我们还设计了一种基于上述协作传输方案的联合信道分配方法，最后达到最大化系统整体吞吐量的目的。一种提升系统吞吐量的D2D协作传输方法，具体步骤如下：S1、把一对D2D用户和一个宏蜂窝用户之间满足各自QoS需求时进行最大化吞吐量传输问题，建模为一个最优化问题，其中，所述最优化问题是一个非凸优化问题；S2、采用问题分解的方法，把原始问题分解为多个子问题，对于每个子问题都有一个唯一的解析解，组合这些子问题的解就可以得到原始问题的解，具体为：S21、假设D2D用户和宏蜂窝用户各自的发射功率固定且为他们所允许的最大发射功率，优化叠加编码的功率分配因子；S22、对D2D和宏蜂窝用户之间的配对进行优化，也就是一个D2D用户要复用哪一个宏蜂窝用户的信道，最终用0-1整数规划的方法进行优化，以使得系统整体的吞吐量最大。本专利技术的有益效果是：本专利技术方法可以在同时保证D2D用户和宏蜂窝用户QoS的情况下，通过基于叠加编码的协作传输策略，以及多用户联合信道分配策略，可以使得系统总的吞吐量最大，通过仿真结果，如附3所示，相比于传统的方法，本专利技术的方法可以大幅度提升系统的吞吐量。附图说明图1是本专利技术的系统模型图。图2叠加编码等时隙划分示意图。图3仿真结果示意图-吞吐量对比。具体实施方式下面将结合实施例和附图，对本专利技术方法进行进一步说明。首先对本专利技术的原理进行介绍：叠加编码(superpositioncoding:SC)技术是一种分层编码调制技术，其最早可以追溯到1972年Cover,T.M.的工作，在该文献中，Cover,T.M.给出了SC技术的基本思想以及初步的性能分析；但是对其更加深入的、切合实际的研究始于2002年，Y.Liu等人指出，尽管理论上SC可以包括多层甚至无穷层不同速率调制信号的叠加，但是在实际系统中，采用两级SC就可以使系统吞吐量等性能接近最优的无穷多层SC系统的性能，所以，考虑到D2D用户的执行复杂度，在现有的文献中，主要研究两级速率叠加编码及其应用。一般SC系统都是以总发射功率P为约束来本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提升系统吞吐量的D2D协作传输方法，其特征在于，具体步骤如下：S1、把一对D2D用户和一个宏蜂窝用户之间满足各自QoS需求时进行最大化吞吐量传输问题，建模为一个最优化问题，其中，所述最优化问题是一个非凸优化问题；S2、采用问题分解的方法，把原始问题分解为多个子问题，对于每个子问题都有一个唯一的解析解，组合这些子问题的解就可以得到原始问题的解，具体为：S21、假设D2D用户和宏蜂窝用户各自的发射功率固定且为他们所允许的最大发射功率，优化叠加编码的功率分配因子；S22、对D2D和宏蜂窝用户之间的配对进行优化，也就是一个D2D用户要复用哪一个宏蜂窝用户的信道，最终用0‑1整数规划的方法进行优化，以使得系统整体的吞吐量最大。

【技术特征摘要】
1.一种提升系统吞吐量的D2D协作传输方法，其特征在于，具体步骤如下：S1、把一对D2D用户和一个宏蜂窝用户之间满足各自QoS需求时进行最大化吞吐量传输问题，建模为一个最优化问题，其中，所述最优化问题是一个非凸优化问题；S2、采用问题分解的方法，把原始问题分解为多个子问题，对于每个子问题都有一个唯一的解析解，组合这...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵国栋，欧振威，李立英，陈智，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51